岳洋 周臣
摘 要:主要依據(jù)《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機通用規(guī)范》(GJB 242—87)和某型渦軸發(fā)動機的具體要求,在參考其他類型航空發(fā)動機滑油中斷試驗經(jīng)驗方法的基礎(chǔ)上,對渦軸發(fā)動機滑油中斷整機試驗裝置進行了研制改造,對試驗方案及試驗前后工作等內(nèi)容開展方法研究,并對兩次試驗結(jié)果進行總結(jié)分析,得到了一套操作性極強的滑油中斷試驗裝置及其試驗方法,為該型渦軸發(fā)動機的設(shè)計定型提供了有力依據(jù),對后續(xù)該類型相關(guān)試驗也具有參考意義。
關(guān)鍵詞:整機試驗;渦軸發(fā)動機;滑油中斷
中圖分類號:V235.12? 文獻標志碼:A? 文章編號:1671-0797(2022)11-0082-03
DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.11.023
0? ? 引言
航空渦軸發(fā)動機作為一種高速旋轉(zhuǎn)機械,滑油對其內(nèi)部齒輪和軸承起著潤滑、冷卻以及帶走磨粒的作用,所形成的油膜在一定程度上還有緩沖減振的效果。發(fā)動機在運行過程中遭遇故障、機動飛行、重復(fù)的瞬間過載飛行、不正確使用等情況時,其內(nèi)部齒輪和軸承將立即進入無潤滑的極其惡劣的工作環(huán)境,齒輪和軸承等傳動元件摩擦副產(chǎn)生的大量摩擦熱將使傳動系統(tǒng)內(nèi)部零部件溫度隨時間延長而急劇上升,從而導(dǎo)致發(fā)動機失效。因此,在研制階段對發(fā)動機進行滑油中斷試驗,驗證其是否具有設(shè)計要求的干運轉(zhuǎn)能力是十分必要的[1]。
發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜,流、固、熱多相耦合工作,因此部件級的試驗無法驗證發(fā)動機真實工作條件下滑油中斷的情況,為保證飛行安全,應(yīng)對發(fā)動機滑油中斷做地面整機試驗,對發(fā)動機性能進行鑒定。本文對某渦軸發(fā)動機滑油中斷試驗進行了研究,在保證試驗質(zhì)量和安全的前提下,設(shè)計出一套滑油中斷試驗裝置,并通過試驗驗證,對該裝置進行了改進,最終順利完成了滑油中斷試驗,為該類型試驗積累了經(jīng)驗。
1? ? 試驗要求
國家軍用標準GJB 242—87中要求渦軸發(fā)動機要進行滑油中斷試驗。根據(jù)這一要求,滑油中斷時,僅向滑油泵進口供氣,發(fā)動機在中間狀態(tài)工作30 s。在滑油中斷期間和隨后恢復(fù)正常潤滑的30 min內(nèi),發(fā)動機應(yīng)無損壞地工作。分解檢查發(fā)動機各零部件并重點檢查發(fā)動機各潤滑件無損壞,則認為完成了試驗[2]。
滑油中斷試驗已超過發(fā)動機正常工作范圍,有一定風險性,可能干運轉(zhuǎn)會引起磨損、過熱而導(dǎo)致零部件損壞,首當其沖的便是與潤滑有關(guān)的零部件,如軸承、齒輪、滑油泵、封嚴環(huán)等。因此,試驗過程中應(yīng)嚴格落實與試驗有關(guān)的監(jiān)控措施。對于發(fā)動機平穩(wěn)運行最敏感的參數(shù)就是振動,試驗中應(yīng)密切注意監(jiān)控參數(shù)的變化,確保發(fā)動機安全運轉(zhuǎn)[3]。
2? ? 試驗方案
試驗對象為某型渦軸發(fā)動機,其由粒子分離器、組合壓氣機、燃燒室、燃氣渦輪、動力渦輪及附件傳動機匣組件、自給式滑油系統(tǒng)等組成?;椭袛嘣囼炘隍炇蘸细竦恼麢C試驗臺上進行。
2.1? ? 試驗裝置設(shè)計
本次試驗發(fā)動機,本身結(jié)構(gòu)集成度高,在滑油箱與滑油泵附件之間沒有外部管路。為了滿足試驗要求,達到試驗?zāi)康?,要設(shè)計一套便于操作、易于控制、反應(yīng)迅速、工作可靠的發(fā)動機外部滑油中斷試驗裝置。
圖1給出了原滑油路以及滑油中斷試驗裝置的滑油路示意圖。在原滑油路中,滑油從滑油箱的油濾吸入至滑油泵及附件進入軸承腔,再回到滑油箱形成滑油路閉環(huán)。在滑油中斷試驗裝置中,用轉(zhuǎn)接管替換油濾形成通路,將滑油放油口通過通/斷油裝置與轉(zhuǎn)接管相連,形成發(fā)動機外部滑油路。這樣,滑油從放油口進入通/斷油裝置,通過轉(zhuǎn)接管吸入至滑油泵及附件進入軸承腔,再回到滑油箱形成滑油路閉環(huán)。通過遠程控制通/斷油裝置即可控制大氣與滑油的切換,進行滑油中斷試驗。
2.2? ? 試驗內(nèi)容
(1)發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能錄取試驗;
(2)滑油中斷試驗。
2.3? ? 試驗程序
滑油中斷試驗開始前進行一次常規(guī)試車,錄取發(fā)動機性能,并檢查發(fā)動機工作穩(wěn)定性。性能錄取試驗結(jié)束后取50 mL滑油做光譜分析,清理磁性屑末檢測信號器,更換滑油濾芯。
滑油中斷試驗程序如圖2所示,在發(fā)動機到達規(guī)定狀態(tài)后停留3 min,然后切換通/斷油裝置,中止滑油箱向發(fā)動機供滑油,同時滑油泵增壓級進口通大氣,在此狀態(tài)保持30 s。在試驗過程中,密切監(jiān)控發(fā)動機工作情況及各測量參數(shù)的變化情況并記錄,如有異常立即停車?;椭袛?0 s后,立即恢復(fù)正常供油,在該狀態(tài)停留3 min后,逐步下拉發(fā)動機狀態(tài)進行剩余試驗直至滑油中斷試驗完成。試驗結(jié)束后,檢查磁性屑末檢測信號器和滑油濾芯,并取50 mL滑油做光譜分析。
3? ? 試驗結(jié)果、分析及設(shè)備改進
按照上述試驗程序進行兩次滑油中斷試驗。其中第一次試驗,通/斷油裝置由兩個電磁閥組成,試驗過程中因為通/斷油裝置無法恢復(fù)滑油供應(yīng)而終止;對設(shè)備進行改進后,第二次成功地完成了滑油中斷試驗。
3.1? ? 第一次滑油中斷試驗
試驗前,按照圖1對滑油中斷裝置進行安裝,其中通/斷油裝置如圖3所示。在正常試驗時,滑油進口處電磁閥2接通,通大氣側(cè)電磁閥1關(guān)閉,滑油通過滑油箱放油口至電磁閥2進入滑油泵,再進入軸承腔等;當滑油中斷時,通大氣側(cè)電磁閥1接通,滑油進口處電磁閥2關(guān)閉,僅有空氣進入滑油泵,從而形成滑油中斷的效果。
如圖4所示,在第一次滑油中斷試驗時,在中間狀態(tài)中斷滑油,滑油壓力下降為0,30 s后恢復(fù)供油,滑油壓力仍為0,2 min后滑油壓力仍未恢復(fù),下拉發(fā)動機狀態(tài),在下拉過程中有異響,振動報警達到60 mm/s,進行緊急停車。停車后從滑油箱中只放出1 L滑油,大量滑油泄漏。
經(jīng)檢查,電磁閥關(guān)閉時,靠閥兩側(cè)壓差對閥本身進行壓緊,從而起到緊閉的作用,滑油大量從電磁閥1泄漏。通/斷油裝置由兩組電磁閥組成的方案存在問題,需改進。
本次滑油中斷試驗最終因設(shè)備問題而終止,但是在滑油中斷期間,發(fā)動機穩(wěn)定運行,各主要參數(shù)無明顯變化,振動值整體有所上升,其原因在于,當滑油切斷后,擠壓滑油油膜阻尼器減振效果下降,轉(zhuǎn)子及發(fā)動機振動響應(yīng)增大,但未超過極限值。后續(xù)下拉發(fā)動機狀態(tài)過程中的振動值超限,原因是滑油大量泄漏,導(dǎo)致與潤滑相關(guān)的零部件長時間處于無潤滑狀態(tài),引起了磨損、過熱等問題,加上發(fā)動機狀態(tài)改變這個因素,最終導(dǎo)致了振動值超限。
3.2? ? 第二次滑油中斷試驗
總結(jié)上一次試驗經(jīng)驗,按照圖5對通/斷油裝置進行改進,將兩組電磁閥改為二位三通電動閥。其中,二位三通閥的進口A與滑油箱放油口連接;二位三通閥的一個接口B與轉(zhuǎn)接管相連,A→B為滑油通道,保證發(fā)動機在供應(yīng)滑油的狀態(tài)下正常工作;二位三通閥的另一個接口C通大氣,C→B為空氣通道,該通道工作時,滑油通道關(guān)閉,滿足滑油中斷試驗僅有空氣進入滑油泵,使發(fā)動機在一定時間內(nèi)無滑油供應(yīng)的狀態(tài)下工作的要求。
如圖6所示,整個試驗過程中,發(fā)動機工作正常,滑油中斷過程中,滑油供油壓力正常變化。中斷開始時,壓力在2 s內(nèi)降低到0;恢復(fù)供油后,2 s左右壓力回到正常值,滑油供油溫度和回油溫度無明顯變化。在滑油中斷的31 s內(nèi),發(fā)動機的功率、動力渦輪前溫度、燃氣渦輪轉(zhuǎn)速等重要性能參數(shù)均未發(fā)生明顯變化,發(fā)動機各振動參數(shù)均有所增大,但所有振動參數(shù)均在規(guī)定范圍之內(nèi)。整個試驗過程中磁性屑末檢測信號器未報警,滑油濾未發(fā)現(xiàn)堵塞指示或堵塞報警。
3.3? ? 試驗后檢查
對所取滑油樣品進行光譜分析,表1給出了滑油光譜分析結(jié)果,分析表明,滑油中斷試驗前后滑油中金屬元素的含量無明顯變化,說明滑油中斷期間各軸承并無明顯磨損。
發(fā)動機完成滑油中斷試驗后分解,以檢查滑油中斷對發(fā)動機的損傷情況。檢查結(jié)果表明,發(fā)動機各部件未發(fā)現(xiàn)異常;對發(fā)動機軸承進行分解、目視檢查顯示正常,返回相應(yīng)承制單位返廠檢查,軸承尺寸精度、旋轉(zhuǎn)精度及游隙等均在正常要求范圍內(nèi)。
綜上所述,試驗數(shù)據(jù)滿足合格判定準則,可以認為順利通過了滑油中斷試驗。
4? ? 結(jié)論
本文對某型渦軸發(fā)動機進行了滑油中斷試驗研究,在本文試驗范圍內(nèi),可以得到如下結(jié)論:
(1)本次滑油中斷試驗的成功表明,該滑油中斷試驗裝置設(shè)計合理可行,結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、響應(yīng)迅速、控制精度高,可在今后同類型試驗中進行廣泛推廣。
(2)在滑油中斷期間,發(fā)動機振動值整體會有所增大,原因在于,滑油中斷會導(dǎo)致擠壓滑油油膜阻尼器減振效果下降,潤滑零部件會發(fā)生相應(yīng)變化,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子及發(fā)動機振動響應(yīng)增大,是滑油中斷后發(fā)動機的正?,F(xiàn)象。
(3)某型渦軸發(fā)動機在滑油中斷期間和隨后恢復(fù)正常潤滑的試驗過程中工作正常,性能均符合要求,順利完成了滑油中斷試驗,為該型號發(fā)動機設(shè)計定型提供了強有力的技術(shù)支持與依據(jù)。
[參考文獻]
[1] 曾聞鼎,彭秀云.某渦軸發(fā)動機滑油中斷試驗振動故障分析[J].南華動力,2016(2):13-17.
[2] 航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機通用規(guī)范:GJB 242—87[S].
[3] 航空燃氣渦輪發(fā)動機滑油中斷試驗方法:HB 20271—2016[S].
收稿日期:2022-03-29
作者簡介:岳洋(1986—),男,河北邯鄲人,工程師,研究方向:整機試驗。